PJZ-1型酿酒葡萄剪枝机设计与试验

自我国加入世界贸易组织以来，葡萄酒产品进口量迅速增长，给国内葡萄酒产业造成巨大的压力，葡萄酒生产以及作为主要原料的酿酒葡萄也随之备受重视。根据国际葡萄与葡萄酒组织（O.I.V.）2016年公布的数据，中国酿酒葡萄种植面积占全世界总种植面积的10.6%，已跃居世界第2位，超过法国，仅次于西班牙。

葡萄属藤蔓型植物，可随意塑造形状，通过对葡萄枝条的整形和修剪，使葡萄连蔓空间合理分布，植株得到充分而均匀的光照，从而保证了葡萄果实的良好生长状态，达到葡萄丰产和稳产的目的。

而根据修剪的时间不同，可分为冬季修剪（冬剪）和夏季修剪（夏剪），适度冬剪有利于调节树体的生长和结果，并且可以保证一定数量的芽眼，促使树冠内枝条配置合理，防止结果部位外移，从而保证每年生长出良好的新生枝蔓，为葡萄的丰产和稳产打下基础，良好的冬剪是夏剪的前提和基础。

长期以来，我国酿酒葡萄整形修剪一直处于依靠人工，机械化装备的研究和使用处于相对空白的落后局面，发达国家于20世纪60年代就开始对葡萄机械化剪枝进行研究，已经基本实现了机械化剪枝作业，其生产效率比人工提高5~10倍。然而，到目前为止，我国葡萄种植业中，修剪技术相对落后，仍以人工修剪的传统作业方式为主，面临作业质量不稳定、劳动强度大、生产效率低和人工成本高等问题。因此，我国酿酒葡萄机械化修剪问题亟待解决。

国外开展酿酒葡萄修剪技术的研究应用较多，已实现了葡萄机械化修剪作业。机械化修剪技术大多采用整株几何修剪，其优点是作业速度快，并且修剪后的葡萄果树有利于后续作业实现机械化。

根据切割器的类型不同，大体分为往复割刀式修剪机、转刀式修剪机和圆盘锯式修剪机。具有代表性的机械有匈牙利GSVL型修剪机，西班牙Jumar Agricola SL公司生产的D600/D1200修剪机和法国Hydro800S型修剪机。国内对葡萄修剪机械的研制起步较晚、产量低和种类单一，大多以手动式修剪机具和可移动升降架联合作业为主，主要对单枝进行修剪。

董祥等：PJZ-1型酿酒葡萄剪枝机设计与试验农业工程设计制造及理论研究根据国内酿酒葡萄栽培模式和冬剪农艺要求，参考国外酿酒葡萄剪枝机先进机型，以提高剪枝机的修剪质量和作业效率为前提，设计了一种适于酿酒葡萄冬季埋藤前的机械化剪枝机具。

该机具可以根据葡萄藤高度，调节酿酒葡萄剪枝的高度和宽度，并实现自动避障功能，大幅减轻人工修剪的劳动强度、降低作业成本和提高酿酒葡萄作业质量与效率。

1机械修剪装置设计

1.1总体结构

酿酒葡萄修剪机用于在果实收获后，进入冬季埋藤作业前，剪除葡萄主藤上当年长出的枝条。设计的PJZ-1型酿酒葡萄修剪机安装在PT-115型多功能自走式底盘上使用，整机结构（图1）主要由机架、避障系统和剪枝系统组成。其中机架承载避障系统和剪枝系统，连接至多功能通用底盘；避障系统实现机具前进作业时自动避让葡萄藤支架立柱，绕过主藤支柱后自动恢复作业位置；剪枝系统可以通过液压驱动调节葡萄枝修剪的高度和宽度。

1.PT-115型多功能自走式底盘2.机架3.避障系统4.剪枝系统

图1PJZ-1型酿酒葡萄修剪机

1.2剪枝部件设计

PJZ-1型酿酒葡萄剪枝机采用旋转式割刀修剪方式，作业时刀片在液压马达的驱动下高速旋转，完成切割作业。剪枝系统（图2）主要由刀片与液压马达组件、角度调节部件、水平调节组件和竖直调节组件等组成。剪枝高度、角度和水平位移都可以通过液压油缸调节，3根油缸分别连接左右侧料斗升降油缸以及收获部件间隙调节油缸快速接口。

1.刀片与液压马达组件2.角度调节部件3.水平调节组件4.竖直调节组件

图2剪枝系统

1.3避障系统设计

避障系统（图3）主要由避障机构、二位四通换向阀和液压油缸等组成。避障机构主要由避障杆、扭簧和旋转轴等零件组成。避障机构安装位置位于切割刀旋转轨迹圆前方300 mm处，避障杆位于葡萄藤行架第1条钢丝下方，可避免葡萄藤粗壮枝条对避障系统干扰。作业时，避障杆碰到立柱等障碍物时发生转动，与避障杆固定连接的拨动杆拨动二位四通阀开关，换向阀换向，油缸驱动避障系统缩回，避免回旋刀与立柱等障碍物发生碰撞。当避障杆通过立柱后在扭簧的作用下恢复到原位，换向阀换向，油缸外伸，剪枝系统恢复作业。

1.液压油缸2.二位四通换向阀3.扭簧4.旋转轴5.避障杆

图3避障系统

避障功能由与出土部件连接的液压油缸的伸缩来实现。液压系统由避障杆、换向阀、复位弹簧、油缸和限位机构等组成。当作业部件前进到直柱附近时，作业部件前部的避障触杆先接触立柱，随着机具前进，触杆由于受到立柱挤压发生转动，将这一转动量传递给液压换向阀，控制油缸收缩，作业部件回旋避开立柱。

随着机具前进至超过立柱，触杆转动量慢慢达到最大，当触杆末端越过立柱，由立柱产生的挤压力消失，触杆在拉簧的作用下瞬时复位，进而运动传递给液压换向阀，油缸伸出，剪枝部件迅速回复至原位置，至此完成一次避障工作过程。

2试验材料、设备及评价指标

2.1试验地点、材料及仪器设备

2016年11月在河北省怀来县进行机具试验，试验葡萄品种是当地广泛种植的赤霞珠。根据当地气候、土质条件以及农民多年来收获经验，赤霞珠冬剪时间一般在葡萄自然落叶后至次年春季伤流期前进行，即每年的11月初开始剪枝，提前做好葡萄藤过冬准备。试验过程中尽可能选择一致性好的试验地进行测试。

试验设备包括自行研制的酿酒葡萄剪枝机、手持式光电测速仪、计数器、钢卷尺、游标卡尺和秒表等。试验现场如图5所示。

2.2试验评价指标

（1）试验评价指标确定。

图5试验现场

试验地的葡萄植株修剪树形为主蔓扇形，栽培架式为单篱。冬剪试验结束后，参照国家标准GB/T 25393—2010《葡萄栽培和葡萄酒酿制设备葡萄收获机试验方法》的相关内容，再根据葡萄藤冬剪埋藤农艺要求，将葡萄剪枝机的割刀位置调整到合适高度，然后在葡萄行间以相应的作业速度行走并进行剪枝作业，试验后查看剪枝修剪面平整度，是否有漏剪、枝条撕裂和拉断等现象，最后确定以葡萄枝条剪断率作为试验评价指标，评价酿酒葡萄剪枝机的试验效果。

（2）计量方法。

通过计数法计算葡萄枝条剪断率。试验结束后，分别统计试验长度内剪断的枝条数和未剪断的枝条数，根据式（1）计算葡萄枝条剪断率Q。

Q=B1B1+B2×100%（1）

式中Q——葡萄枝条剪断率， %

B1——试验长度内剪断的枝条数

B2——试验长度内未剪断的枝条数

3酿酒葡萄剪枝机试验

试验前检查PJZ-1型葡萄藤剪枝机各紧固部位连接是否可靠，各运动部件应运转灵活，各润滑部位加注润滑油或润滑脂。在室内用叉车将葡萄剪枝机升起到合适高度，用螺栓将葡萄剪枝机的主框架连接到底盘左和右大梁后部的连接板上。整机固定后，将各液压装置的油管分别连接到底盘的液压输出油路接头。

3.1自动避障系统试验

剪枝机设计工作速度3.0 km/h，最高剪枝速度5.0 km/h。避障系统的灵敏度取决于机具行驶速度，对最大工作速度时的自动避障系统工作情况进行试验测试。

操作操纵杆置于空挡位置，启动发动机并逐步加大油门到额定转速状态。将操纵杆向前推动，使剪枝机按照5.0 km/h的作业速度前进，当自动避障系统的避障杆遇到葡萄藤支架立柱时，避障系统可以有效地使液压控制阀的阀芯动作，控制横向移动油缸迅速驱动剪枝装置做横向移动，使旋转割刀安全绕过立柱；当避障杆离开立柱后，液压控制阀的阀芯可以迅速回复到原始位置，并且横向移动油缸驱动剪枝装置做横向移动，使之回到初始位置继续进行剪枝作业，试验过程如图6所示。试验距离500 m，试验重复3次，自动避障系统均能够灵敏和有效地躲避葡萄藤支架立柱。

图6避障系统有效性试验

3.2枝条剪断率单因素试验

剪断率与葡萄藤本身性质（品种、含水率和直径等）有关，酿酒葡萄一般在秋冬季剪枝，枝条含水率较低。当剪枝机转速足够大时，便能完全将其剪断，故机具本身的作业工况决定了枝条的剪断率。

试验选取剪枝机割刀的转速和机具的作业速度作为试验因素进行葡萄枝条剪断率的单因素试验。试验时固定其他因素的水平，通过改变被测因素的取值进行相应的单因素试验，设定剪枝机割刀的转速初始水平为2 000 r/min，机具作业速度3.0 km/h。

3.2.1割刀转速对枝条剪断率的影响

通过预试验确定，当割刀转速＜800 r/min时，剪枝机难以将葡萄枝条剪断，试验固定机具作业速度3.0  km/h，割刀转速以800 r/min为初始水平，试验梯度为200 r/min，观察试验结果并统计，计算葡萄枝条剪断率。

当割刀转速＜800 r/min时，枝条剪断率＜50%，并出现大量枝条撕裂拉断的现象；随着割刀转速的增加，枝条剪断率呈线性增长；当割刀转速800~1 800 r/min，机具作业速度3.0 km/h时，割刀随着机具前进，枝条未被剪断，存在部分漏剪现象；当割刀转速达到2 000 r/min时，葡萄枝条基本可以被平整地剪断，枝条剪断率98.3%，当割刀转速＞2 500 r/min时，葡萄枝条全部剪断，剪断率100%。

3.2.2作业速度对枝条剪断率的影响

固定割刀转速2 000 r/min时，机具作业速度以1.0 km/h为初始水平，试验梯度0.5 km/h进行试验。

当固定割刀转速2 000 r/min，机具作业速度＜1.0 km/h时，机具前进速度慢，通过葡萄藤支架立柱时，导致避障系统回到初始位置时，割刀还未通过立柱，造成割刀与立柱发生切割碰撞，从而会出现损坏刀头或立柱情况；当机具作业速度1.0~2.0 km/h时，枝条可以平整地被剪下，剪断率达到100%；随着机具作业速度增大，枝条剪断率逐渐降低。

割刀转速一定，机具作业速度增加到一定程度后，枝条还未被剪断时，机具就已经通过被剪枝条，出现漏剪现象。当作业速度＞4.0 km/h时，机具行驶速度过快，导致避障系统还未回到初始位置，就已经通过被剪枝条，同样增加了漏剪概率。

剪断率单因素试验结果表明，当割刀转速2 000 r/min，机具作业速度1.0~2.0 km/h时，可获得较高的枝条剪断率。

3.3田间作业效率与可靠性试验

试验结果表明，增加割刀转速可以提高相应的作业速度。当割刀转速增加到3 000 r/min时，试验发现，机具作业速度可以增加到5.0 km/h，并且可以保证修剪面平整，无漏剪及枝条撕裂等现象，选择4.0 km/h作为设计作业速度。

PJZ-1型酿酒葡萄剪枝机速度4.0 km/h，进行剪枝作业，按GB/T 5667—2008《农业机械生产试验方法》进行作业效率和使用可靠性测定，并对试验过程中出现的故障情况进行分析，如图9所示。

PJZ-1型酿酒葡萄剪枝机累计工作时间共22 h，其中剪枝时间19 h，正常维护检修时间0.5 h，地头转向及换行时间共2.5 h，时间利用率86.4%，共计完成剪枝作业面积1.1 hm2。因此，机具在4.0 km/h作业速度下的平均作业效率为0.05 hm2/h。

田间试验期间，机具动力部件运转平稳，工作情况良好，除了正常维护检修外，未发生影响试验进程的严重故障。

图9田间生产率与可靠性试验

该PJZ-1型酿酒葡萄剪枝机可以完成对酿酒葡萄的冬季剪枝作业，且在地形平坦条件下，该酿酒葡萄剪枝机在割刀转速2 000~3 000 r/min，机具作业速度2 km/h时，枝条剪断率接近100%；机具作业速度增加时，适当增加割刀转速，可提高作业效率。

4结论

（1）研制了一种具有自动避障功能的PJZ-1型酿酒葡萄剪枝机，该机具由机架、自动避障装置和液压驱动的旋转式剪枝装置等组成，当位于机具前端的避障杆遇到葡萄架立柱等障碍物时，自动避障装置驱动剪枝部件避开障碍物，避免机具损坏。

（2）田间试验验证表明，当割刀转速设定在2 000 r/min，机具作业速度1.0~2.0 km/h时，被修剪枝条修剪面平整，枝条剪断率为100%。

（3）当机具作业速度3.0 km/h，割刀转速＞2 400 r/min时，枝条剪断率可达到100%。

（4）当割刀转速达到3 000 r/min时，在保证被修剪枝条可以按照要求修剪，同时保证可以获得较高的枝条修剪率，最大机具作业速度可达到5.0 km/h。

（5）在4.0 km/h作业速度下，机具对酿酒葡萄剪枝作业的时间利用率为86.4%，作业效率0.05 hm2/h。

本文来源于2018年5期《农业工程》杂志（中国科技核心期刊）

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